Только в 21:00, после удачного окончания ремонтных работ, представилось возможным начать ввод в действие главной энергетической установки, на который требовалось затратить несколько часов. Для того, чтобы «не гневить» начальство, командир, очевидно, не без ведома руководителя похода, решил отойти от пирса в назначенное время, не дожидаясь вывода реакторов на требуемый уровень мощности, под вспомогательными дизелями, а ввод установки завершить уже на переходе к точке погружения. К его счастью, «хитрый» манёвр и в этот раз удался. Перед погружением оба реактора были выведены примерно на 60 % номинальной мощности. На борту, кроме экипажа, находилось 20 специалистов от научных организаций и промышленности, прежде всего, по части обслуживания главной энергетической установки и навигационного комплекса. Естественно, штатному экипажу пришлось «потесниться», предоставив каюты и другие штатные места отдыха и приёма пищи «специалистам». Увеличилась нагрузка и на службу снабжения корабля.

Погрузившись, направились в Норвежское море. 12 июля к концу суток была обнаружена неисправность циркуляционного насоса охлаждения главного конденсатора. Замену трех подшипников насоса производили в подводном положении. Ремонт продолжался около 14 часов. Далее маршрут к полюсу пролегал через Гренландское море по нулевому меридиану. 13 июля в 11 часов 30 минут АПЛ всплыла в Гренландском море для встречи с тральщиком с целью уточнения данных о ледовой обстановке и уточнения своего места. Однако из-за плохой погоды встреча состоялась только в 18:00. На следующие сутки в 10:45 на широте 79 градусов лодка в подводном положении вошла под кромку льда и двинулась по жёлобу Лены в Центральную Арктику, имея справа архипелаг Шпицберген, а слева Гренландию.

По воспоминаниям командира [Осипенко Л., Жильцов Л., Мормуль Н., 24], на поход были поставлены следующие задачи: испытания навигационных комплексов; проверка возможности «<…> крейсировать в районе Северного полюса, лишая подводные лодки-ракетоносцы «противника» возможности нанесения внезапного ядерного удара по жизненно важным центрам СССР»; проверка работоспособности механизмов в условиях низких температур; исследования рельефа дна, течений, ледового покрова по маршруту; демонстрация миру возможностей советских атомных подводных лодок (позже оказалось, что именно эта задача была главной).

По маршруту перехода лодка трижды всплывала в полыньях. Впервые она сделала это в точке с координатами 84 градуса 08 минут северной широты, 0 градусов 48 минут и 5 секунд восточной долготы для донесения о достижении этой критической точки. Далее начиналась неизведанная зона неустойчивой работы, прежде всего, навигационных приборов. Уточнив своё место по светилам и получив разрешение командования, отправились далее. 17 июля в 6 часов 59 минут 11 секунд по московскому времени впервые советская подводная лодка в подводном положении по счислению (то есть по расчётам штурмана) пересекла географическую точку Северного полюса. Попытки найти полынью на полюсе не удались, поэтому легли на обратный курс и всплыли только на следующие сутки в точке с координатами 84 градуса 54 минуты северной широты, 0 градусов и 1,5 минут западной долготы (командир в своих воспоминаниях пишет: «…примерно в 100 милях от полюса»). На льду был установлен Государственный флаг СССР. За два часа, в течение которых лодка находилась в надводном положении, весь экипаж смог побывать на льду.

По программе похода следующее всплытие состоялось 19 июля к северо- востоку от Гренландии в точке с координатами 79 градусов 40 минут северной широты, 0 градусов 41 минута западной долготы. Навигационная невязка составила 34 мили. Здесь предстояло провести испытания боевых торпед для проламывания льда на случай экстренного всплытия. Однако последовал приказ не выполнять стрельбу торпедами, а экстренно следовать в Йоканьгу (Гремиху), где подводников должны были торжественно встретить руководители страны во главе с Н.С. Хрущевым.

20 июля в 13:40 К-3 вышла из-подо льдов, пройдя в подлёдном положении 1 294 мили за 147 часов (именно так, а не 178 часов, как тиражируется во многих источниках). Постоянно проводившиеся на борту К-3 исследования рельефа дна, течений, ледовитости позволили заполнить немало белых пятен на карте Арктики, в том числе и обнаружить подводный хребет, наличие которого ранее только предполагалось. Позднее он был назван хребтом Гаккеля (экипаж АПЛ ВМС США Sargo (SSN-583) сделал это раньше и, конечно же, не поделился своим открытием с советскими подводниками).

После возвращения в базу руководителю похода, командующему 1-й флотилией подводных лодок Северного флота контр-адмиралу А.И. Петелину, командиру корабля кап. 2 ранга Л.М. Жильцову и командиру БЧ-5 (электромеханической боевой части) инженер-кап. 2 ранга Р.А. Тимофееву были присвоены звания Героя Советского Союза. Весь личный состав корабля и ряд специалистов промышленности были награждён орденами и медалями: орденом Ленина – 11 человек (кроме Героев); орденом Красного Знамени – 19 человек; орденом Красной Звезды – 28 человек; медалью За отвагу – 63 человека. Двум боевым сменам экипажа награды вручал сам Первый секретарь ЦК КПСС, Председатель Совета министров СССР Н.С. Хрущёв в спортивном зале 14-й бригады подводных лодок в Йоканьге. Одна смена в это время обеспечивала функционирование подводной лодки в базе. Личному составу этой смены позже вручил награды секретарь Мурманского обкома КПСС. Думаем, что представленная здесь фотография об этом событии ярко передаёт чувства всех, кто творил ту историю.

С этого момента советские подводники, можно сказать, «по-настоящему почувствовали запах и вкус Арктики». Все последующие годы они будут наращивать свои усилия в освоении Северного Ледовитого океана. Подводная лодка К-3 вскоре получила имя «Ленинский Комсомол» и стала символом для страны. Нынче её холодный и пустой корпус уже много лет стоит на судоремонтном заводе в Снежногорске Мурманской области (спасибо руководителям, что сохраняют!), а высокие начальники и многочисленные общественные организации не могут принять решение о дальнейшей судьбе этого национального символа.

Позже один из участников похода В.А. Монтелли писал: «Устойчивую работу при плавании постоянными курсами, скоростью и глубиной погружения показали гирокомпасы, но до широты 88,5°N. При маневрировании подо льдом их погрешности обычно превышали 9–10°, причём знак погрешности был, как правило, одинаков у всех. Подтвердилась оптимальность выбранной системы координат, как в части универсальности её применения в традиционных для того времени средствах, так и с точки зрения удобства работы штурмана. Несмотря на отсутствие инерциальной системы и высокоширотных гирокомпасов, поход АПЛ К-3 на Северный полюс удался с первой попытки. Принятая же в те далёкие годы система квазигеографических координат успешно прошла испытания временем и продолжает использоваться и поныне без каких-либо изменений, в том числе и на АПЛ с инерциальными навигационными комплексами» [Монтелли В. А., 22].

Достигнутый величайший успех и проявленный величайший авантюризм похода К-3 к Северному полюсу особенно ярко проявился не только «звездопадом», но и тяжёлыми последствиями для техники в самое ближайшее время. Уже через месяц, в сентябре на лодке в море была обнаружена разгерметизация тепловыделяющих элементов в реакторе. Радиоактивность в нескольких отсеках достигла запредельных значений. Дали радио и в аварийном порядке вернулись в базу. Отсюда «за ноздрю» лодку в очередной раз «заперли» на завод в Северодвинске. Там она находилась в ремонте с заменой всего реакторного отсека до конца 1965 г. Труднейшая технологическая операция – замена реакторного отсека выполнялась впервые. Отработанное топливо было выгружено, а в отсек залит специальный состав, после чего через некоторое время он был затоплен в заливе Абросимова в Карском море. Вот какой оказалась реальная цена покорения Северного полюса при отсутствии достаточных технических возможностей, при безмерной эксплуатации человеческих возможностей личного состава, при чрезмерном стремлении руководителей отчитаться об успехах и победах. Вслед за К-3 аналогичные технологические операции удаления реакторных отсеков пришлось выполнить ещё на нескольких подводных лодках первого поколения. Думается, что многим хочется, пусть и в двухтысячные годы, спросить «лауреатов всяких премий» и «великих руководителей процессов создания океанского флота» – зачем надо было так поступать? Неужели можно было считать действительно не надёжные корабли, «глухие» в океане и «слепые» подо льдом, реальной угрозой «супостату»? Неужели личные амбиции и карьеризм застилали общественную пользу, военную и экономическую целесообразность? Как же можно было ответственным представителям ВМФ (со временем каждого из них надо будет назвать поимённо) принимать в боевой состав не надёжные атомные подводные лодки? Как же можно было бессовестно сдавать флоту такие корабли и за это получать премии и звёзды героев? И, тем не менее, ура!